книги / Прогнозирование долговечности и диагностика усталости деталей машин

уровне напряжения оценивается величиной Л[р2. После­ дующее повышение напряжения снижает, а понижение

напряжения повышает остаточный ресурс. Значения N$2 »

N0 з и N $з являются оценками остаточного ресурса. Не­ обходимо отметить, что повышение напряжения может привести к долому детали при D i— DKl а понижение на­ пряжения — к прекращению повреждения при Oi<ori-

нагружения с использованием нагружения с использованием кинетической диаграммы уста­ кинетической диаграммы уста­

лости лости

При периодическом контроле, когда оценивается воз­ можное приращение степени повреждения ADi и предус­ матривается возможность эксплуатации детали при на­ пряжении Стах, интервал для предельного повреждения £>п может быть установлен следующим образом:

Пк min (^ ^ i—1"Ь ^ Dn<Z.DKm jn ADi­

ll тех случаях, когда деталь в эксплуатации работа­ ет в условиях нерегулярного нагружения, отработка ме­ тода и средств диагностирования должна предусматри­ вать построение кинетической диаграммы усталости в широком диапазоне напряжений регулярного нагруже­ ния. В качестве общего конечного значения степени повреждения принимается минимальное £>Kmln, соответ-

221

ствующее максимальному напряжению, найденному ис­ ходя из функции распределения напряжений и заданной

с помощью которых определяются ряды значений оста­ точных ресурсов (Npi=AT—N Ti), соответствующие теку­ щим значениям степени повреждения в исследуемом диапазоне напряжений. Для каждого текущего значения степени повреждения, исходя из напряжений и соответ­ ствующих им ресурсов, определяются параметры Vi и Gri и строятся кривые усталости (рис. 4.7) равной сте­ пени повреждения.

Схема прогнозирования остаточного ресурса для условий нерегулярного нагружения может базироваться на оценках эквивалентных напряжений оа» т. е. напря­ жений регулярного нагружения, повреждающее дейст­ вие которых равно повреждаемому действию нерегуляр­ ных напряжений за одинаковое число нагружений. Н а­ пример, в условиях нерегулярного нагружения после AN=Nfn —jVp2 нагружений степень усталостного повреж­ дения увеличивается от А до D2. Кривые усталости рав­ ной степени повреждения описываются уравнениями

где Gai — эквивалентное напряжение; <jrl и GT2, и v2— значения предела выносливости и характеристики на­ клона кривых усталости, соответствующие степеням повреждения А и D2. Эквивалентное напряжение Ga\ вычисляется исходя из этих уравнений и числа нагру­ жений AN. Как видно из рис. 4.7, чем меньше AN, вы­ зывающее рост степени повреждения от А до А» тем выше эквивалентное напряжение.

222

Отметим, что наиболее общим является такое нере­ гулярное нагружение, когда часть спектра действую­ щих напряжений меньше исходного значения предела выносливости и в процессе эксплуатации по мере сни­ жения предела выносливости к усталостному поврежде­ нию подключаются более низкие напряжения спектра. Следовательно, с ростом степени повреждения дискрет­ ная оценка эквивалентных напряжений отмечает их рост (рис. 4.7) и его необходимо учитывать при прогно­ зировании остаточного ресурса.

При периодической оценке степени повреждения детали в условиях эксплуатации, когда прогнозируется приращение степени повреждения ADi за период экс­ плуатации до следующего контроля, предельное повреж­ дение описывается следующей формулой:

4.2. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ УСТАЛОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДИКАТОРОВ

Индикаторы усталости являются средствами кос­ венного диагностирования усталости. Они крепятся в опасных в смысле усталости зонах и при периодической или непрерывной регистрации их показаний накапли­ вается информация о степени усталостного поврежде­ ния контролируемой детали. Информация об усталост­ ном повреждении используется для прогнозирования остаточного ресурса деталей.

Индикаторы усталости молено разделить на две группы: 1) индикаторы, физические параметры которых изменяются с ростом степени усталостного повреледения контролируемой детали; 2) индикаторы, накапли­ вающие усталостные повреледения вместе с контроли­ руемой деталью.

4.2.1. Индикаторы с чувствительными к усталостному повреждению деталей физическими параметрами

К таким индикаторам относится датчик [202], изго­ товленный из графита с полифенилквиноксалнновой изо­ ляцией. В опасной локальной зоне детали он крепится

223

с помощью цианамидного клея. С ростом степени пов­ реждения детали изменяется электрическое сопротивле­ ние датчика. Предварительное совместное испытание детали с графитным датчиком дает возможность уста­ новить зависимость степени повреждения детали от сопротивления датчика. В эксплуатации регистрация сопротивления графитного датчика позволяет оценить степень повреждения контролируемой детали и прогно­ зировать остаточную долговечность.

Использованию графитного датчика должна пред­ шествовать тарировка, требующая получения при испы­ таниях контрастной фрактографической картины уста­ лости или дополнительного применения средств нераз­ рушающего контроля.

В ИНДМАШ АН БССР разработан способ 1 опреде­ ления усталостного повреждения конструкций с по­ мощью индикаторов первой группы. Сущность способа заключается в том, что рост степени повреждения опре­ деляется в процессе эксплуатации по изменению напря­ жений или упругих деформаций в точках конструкции, лежащих на пути движения усталостной трещины, а ос­ таточная долговечность оценивается путем сравнения достигнутой в эксплуатации степени повреждения с предельно допустимой.

Разработанный способ может быть рекомендован для контроля степени повреждения замкнутых объемных конструкций, когда трещины усталости зарождаются на

роста трещины наблюдается под нагрузкой нарастание упругой деформации (напряжения).

В случаях, когда зоны вероятного зарождения уста­ лостных трещин локальны, в качестве индикаторов уста­ лости могут быть использованы обычные теизорезисторы.

При большой протяженности зон вероятного зарож­ дения усталостных трещин в качестве индикаторов уста­ лости могут применяться оптически активные покрытия,

1 Способ разработан совместно с В. А. Гурским [209].

224

хрупкие лаки или растровые сетки с регистрацией муа­ ровых полос. Схема расположения индикаторов уста­ лости, зависимость упругой деформации (напряжения) от степени усталостного повреждения конструкции и предельно допустимая степень повреждения устанавли­ ваются в процессе стендовых, эксплуатационных или любых других испытаний конструкции.

Реализация предлагаемого способа предусматривает крепление чувствительных к упругим деформациям (на­ пряжениям) элементов перед началом эксплуатации конструкции, непрерывную или дискретную регистрацию показаний индикаторов усталости и оценку остаточного ресурса путем сравнения степени повреждения, достиг­ нутой в эксплуатации, с предельно допустимой. Решение о ремонте или прекращении эксплуатации конструкции принимается при достижении предельно допустимой степени повреждения. В качестве примера рассмотрим обработку способа определения степени усталостного повреждения применительно к стойке станины пресса К8544 >.

Стоимость, размеры и трудности в организации испы­ таний делают нереальными натурные усталостные испы­ тания станины пресса. Для этих целей могут быть ис­ пользованы геометрическая модель стойки и специально разработанный стенд (см. гл. 3). В процессе цикличе­ ского нагружения модели было установлено, что уста­ лостная трещина зарождается на внутренней поверхно­ сти стенки стойки у корня сварного шва, соединяющего втулку и утолщенную стенку, и распространяется в наи­ более нагруженной точке в направлении поверхности шва. С выходом трещины на поверхность происходит ускоренное разрушение стойки сначала по шву, а затем трещина выходит за пределы шва (см. рис. 3.13).

В целях безопасности эксплуатации пресса, стремле­ ния к минимальной трудоемкости ремонта станины и необходимости обеспечения надежного определения мо­ мента ее предельного напряжения, а также с учетом того, что основная доля долговечности станины прихо­ дится на продвижение трещины в наиболее нагруженной точке шва от корня к его. поверхности, в качестве пре-1

1 Работы под руководством автора выполнены В. А. Гурскнм.

дельно допустимой была выбрана усталостная трещина в момент выхода на поверхность сварного шва.

Для выявления места зарождения усталостной тре­ щины и регистрации роста упругой деформации (напря­ жения) использованы тензорезисторы, прикрепленные клеем по периметру сварного шва, как показано на рис. 3.13, с ориентацией по радиусу втулки.

Рис. 4.8. Рост напряжений в повреждаемом сечении модели стойки пресса: 1 — датчик 87; 2 — датчик 15; 3 — датчик 58 (см. рис.

3.13.)

изгибающим моментом. Перед наклейкой тензорезисто­ ры. тарировались, а перед нагружением проводилась балансировка измерительных мостов. При нагружении регистрировался усиленный ток разбаланса.

На рис. 4.8 представлена зависимость текущих зна­ чений напряжений от числа нагружений в точках, конт­ ролируемых тензорезисторами 87, 15 и 58. Как видно из графика, наиболее опасной оказалась локальная зона, контролируемая тензорезистором 87. Начальное напря­ жение и интенсивность повреждения в этой зоне были выше соответствующих характеристик соседних зон, контролируемых тензорезисторами 15 и 58.

При оценке степени усталостного повреждения по абсолютной величине напряжения допускаются погреш­ ности, обусловленные рассеянием начальной степени повреждения и нагруженности опасных зон, а также

226

обычными ошибками измерения абсолютных значений напряжений. Точность диагностирования и прогнозов может быть существенным образом повышена, если при предварительных испытаниях получить зависимость приращения напряжения от доли выработанного ресурса с определением предельного приращения и в процессе диагностирования регистрировать не абсолютную вели­ чину, а приращение напряжения, используя результаты регистрации и тарировочную зависимость для прогнози­ рования остаточного ресурса.

4.2.2. Индикаторы, накапливающие повреждения вместе с контролируемой деталью

Одним из примеров таких индикаторов являются ин­ дикаторы усталости, разработанные в Рижском инсти­ туте инженеров гражданской авиации [203] для диаг­ ностики усталости крыла самолета АН-24. Индикаторы изготавливаются из листового дуралюмина Д16АТ тол­ щиной 0,5 мм, шириной 9 и длиной 90 мм. В средней части пластины имеются двухсторонние надрезы глуби­ ной 1,5 мм с углом раскрытия надреза 60° и радиусом дна 0,5 мм. На крыле самолета выбираются два-три се­ чения, в каждом из которых крепятся в направлении главных напряжений 10—12 индикаторов. Крепление производится клеем холодного отверждения ЭДП, пла­ стифицированного тиоколом и наполненного цементом.

.Считается, что закономерности процесса усталости в индикаторе и конструкции совпадают, так как они из­ готовлены из одного и того же материала, характери­ зуются равными эффективными коэффициентами кон­ центрации напряжений и на них воздействуют одинако­ вые главные напряжения в любой момент нагружения. Исходя из этого, делается вывод о соответствии кривых усталости индикаторов и конструкции.

Диагностирование усталости и прогнозирование ос­ таточного ресурса крыла производятся по остаточному ресурсу . индикаторов, накапливающих усталостные повреждения вместе с контролируемой деталью. Пред­ ложено два варианта прогнозов с использованием кри­ вых усталости, предварительно полученных в лабора­ торных условиях.

По первому варианту индикаторы проходят пред-

варительную наработку в лабораторных условиях до частичного исчерпания ресурса, крепятся к крылу и при эксплуатации доводятся до разрушения. Определяется соотношение времени совместной эксплуатации и изве­ стной доли неизрасходованного в лабораторных услови­ ях ресурса. Предварительно исчерпанный ресурс с уче­ том найденного соотношения является оценкой остаточ­ ного ресурса крыла.

По второму варианту индикаторы без предваритель­ ной наработки крепятся к крылу и после заданного пе­ риода совместной эксплуатации снимаются и испыты­ ваются до разрушения в лабораторных условиях. Ос­ таточный ресурс индикаторов с учетом найденного со­ отношения лабораторных и эксплуатационных условий является оценкой остаточной долговечности крыла.

С учетом того что имеет место значительное рас­ сеяние ресурсов как крыльев, так и индикаторов, оценка остаточного ресурса крыльев может быть выполнена статистически путем анализа композиции распределения этих случайных ресурсов. Оценка распространяется на совокупность находящихся в эксплуатации крыльев. Следовательно, основным, недостатком рассмотренных индикаторов является невозможность диагностирования в эксплуатации случайного повреждения каждого кры­ ла.

В Рижском институте инженеров гражданской авиа­ ции разработан также способ [204] оценки усталостного повреждения конструкций в целях определения опти­ мальных сроков профилактических осмотров и ремонтов силовых конструкций. Особенностью способа является последовательная замена индикаторов усталости по ме­ ре их разрушения.

Для реализации способа предложены индикаторы, выполненные в виде полосок металлической фольги, имеющей тот же коэффициент линейного расширения, что и конструкция. Долговечность индикаторов должна быть значительно ниже (например, на порядок), чем долговечность контролируемой конструкции.

Способ предусматривает крепление индикаторов на конструкции перед началом эксплуатации, фиксацию момента разрушения индикаторов в эксплуатации, за­ мену разрушенного индикатора и оценку как действо­ вавших в эксплуатации нагрузок, так и накопленного

228

усталостного повреждения по числу разрушенных эле­ ментов. Для расшифровки полученной в эксплуатации информации используют результаты предварительных испытаний индикаторов усталости.

Использование сменных индикаторов также не дает возможности оценить случайно протекающий процесс усталости конструкции, так как этот процесс зависит не только от случайного нагружения конструкции, которое после разрушения нескольких индика- 1 торов определяется со оцениваемой точностью, щественна зависимость вреждения от случайного ния усталости, которое случайным значением на*; ни повреждения (начал!

ем предела выносливост!

Рис. 4.9. Индикатор устали

К индикаторам второй группы относится также ин­ дикатор усталости Крайтеса [205], который представля­ ет собой продолговатую пластину из электропроводящей

Рис. 4.10. Рост деформации в зо­ не развития усталостной трещины при растяжении (а) и изгибе (б)

229